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基于C++的读者与写者问题read—write problem的实现(一)
基于C++的读者与写者问题的实现 1
１．设计题目与要求 1
２．总的设计思想及系统平台、语言、工具等 1
2.1 设计思想 1
2.2 系统平台，语言，工具 4
３．数据结构与模块说明（功能与流程图） 4
3.1 功能实现 4
3.2 流程图 6
４．源程序 7
4.1 .ReaderAndWriter.CPP // 具体的实现 7
4.2.thread.dat //辅助的文件，但是必不可以少 15
５．运行结果与运行情况 15
６．调试记录 17
７．自我评析和总结 18
基于C++的读者与写者问题read—write problem的实现
１．设计题目与要求
读者写者问题（read—write problem）是一个经典的并发程序设计问题。有两组并发进程：读者和写者，共享一个问题F，要求：（1）允许多个读者可同时对之执行读操作；（2）只允许一个写者往文件中写信息；（3）任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或者写者工作；（4）写者执行写操作前，应让已有的写者和读者全部退出。
２．总的设计思想及系统平台、语言、工具等
2.1 设计思想
根据题目要求，首先分析了以下4种可能发生的情况：
第 1 种情况: 读者的优先权比写者高，而且，不用调配。
所有读者的优先权都比写者的优先权高，而且，不用调配。一个读者需要等待的唯一情况是，一个写者已经占用了文件。一个写者可以取得文件的条件是，没有一个读者处在等待状态或正在读文件。允许读者们结盟，以便能长期占用文件，而禁止写者的写。
第 2 种情况: 在一个读者已经占有了文件的时候，全体读者的优先权才比写者高。
在没有任何一个读者在读文件时，读者的优先权和写者的优先权相同。相反，如果有一个读者正在读文件，则其余的各读者都可以读文件，而不管有多少写者处在等待状态。所有读者都有权结盟，以便垄断文件。
第 3 种情况: 写者的优先权比读者的优先权高。
在一个写者提出要访问文件时，就必须使其尽可能的得到文件，而且不用调配。也就是说，在出现这一请求时，占据着文件的各进程都被执行完以后，写者可以立即得到文件。因此，在文件已为一写者请求之后到来的那些读者都必须等待，尽管某些读者正在应用文件，也是如此。所有写者可以结盟，以便能长期禁止读者的读。
第 4 种情况: 所有写者的和所有读者有相同的优先权高，哪一类都不会有比另一类更高的优先权。
如果一个读者正在应用文件，则在一个写者请求文件之前到来的全体读者，都能读文件，而之后到来的读者或写者，则要等待，不必区分他们属于哪一类进程。如果一个写者正在写文件，则所有新到来的请求都必须等待。在这一写者写完之后，它就要唤醒处在等待队列中的排在第一个位置的进程。如果此时有几个读者连续排在等待队列中的最前面各位置上，则它们可以同时去读文件。
最后为了简化问题，将其分为两种主要情况：
（1）读者优先：
如果没有写者正在操作，则读者不需要等待，用一个整型变量readcount记录当前的读者数目，用于确定是否释放写者线程，（当readcout=0 时，说明所有的读者都已经读完，释放一个写者线程），每个 读者开始读之前都要修改readcount,为了互斥的实现对readcount 的修改，需要一个互斥对象Mutex来实现互斥。
另外，为了实现写-写互斥，需要一个临界区对象 write,当写者发出写的请求时，必须先得到临界区对象的所有权。通过这种方法，可以实现读写互斥，当readcount=1 时，（即第一个读者的到来时，），读者线程也必须申请临界区对象的所有权.
当读者拥有临界区的所有权，写者都阻塞在临界区对象write上。当写者拥有临界区对象所有权时，第一个判断完readcount==1 后，其余的读者由于等待对readcount的判断，阻塞在Mutex上！
（2）写者优先：
写者优先和读者优先有相同之处，不同的地方在：一旦有一个写者到来时，应该尽快让写者进行写，如果有一个写者在等待，则新到的读者操作不能读操作，为此添加一个整型变量writecount,记录写者的数目，当writecount=0时才可以释放读者进行读操作！
为了实现对全局变量writecount的互斥访问，设置了一个互斥对象Mutex3。
为了实现写者优先，设置一个临界区对象read,当有写者在写或等待时，读者必须阻塞在临界区对象read上。
读者除了要一个全局变量readcount实现操作上的互斥外，还需要一个互斥对象对阻塞在read这一个过程实现互斥，这两个互斥对象分别为mutex1和mutex2。
测试数据文件格式：测试数据文件包括n 行测试数据，分别描述创建的n 个线程是读者还是写者，以及读写操作的开始时间和持续时间。每行测试数据包括四个字段，各字段间用空格分隔。第一字段为一个正整数，表示线程序号。第一字段表示相应线程角色，R 表示读者是，W 表示写者。第二字段为一个正数，表示读写操作的开始时间。线程创建后，延时相应时间（单位为秒）后发出对共享资源的读写申请。第三字段为一个正数，表示读写操作的持续时间。当线程读写申请成功后，开始对共享资源的读写操作，该操作持续相应时间后结束，并释放共享资源。
下面是一个测试数据文件的例子：
1 R 3 5
2 W 4 5
3 R 5 2
4 R 6 5
5 W 5.1 3
运行结果显示要求：要求在每个线程创建、发出读写操作申请、开始读写操作和结束读写操作时分别显示一行提示信息，以确信所有处理都遵守相应的读写操作限制。
2.2 系统平台，语言，工具
本次设计在WINDOWS XP操作系统平台下，使用c++语言实现读者与写者问题。使用的软件是Visual C++。
３．数据结构与模块说明（功能与流程图）
3.1 功能实现
相关API介绍：
线程控制：
CreateThread 完成线程创建，在调用进程的地址空间上创建一个线程，以执行指定的函数；它的返回值为所创建线程的句柄。
HANDLE CreateThread（
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // SD
DWORD dwStackSize, // initial stack size
LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress, // thread function
LPVOID lpParameter, // thread argument
DWORD dwCreationFlags, // creation option
LPDWORD lpThreadId // thread identifier
）;
ExitThread 用于结束当前线程。
VOID ExitThread（DWORD dwExitCode // exit code for this thread）;
Sleep 可在指定的时间内挂起当前线程。
VOID Sleep（DWORD dwMilliseconds // sleep time）;
信号量控制：
CreateMutex 创建一个互斥对象，返回对象句柄；
HANDLE CreateMutex（
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, // SD
BOOL bInitialOwner, // initial owner
LPCTSTR lpName // object name）;
OpenMutex 打开并返回一个已存在的互斥对象句柄，用于后续访问；
HANDLE OpenMutex（
DWORD dwDesiredAccess, // access
BOOL bInheritHandle, // inheritance option
LPCTSTR lpName // object name）;
ReleaseMutex 释放对互斥对象的占用，使之成为可用。
BOOL ReleaseMutex（
HANDLE hMutex // handle to mutex）;
WaitForSingleObject 可在指定的时间内等待指定对象为可用状态；
DWORD WaitForSingleObject（
HANDLE hHandle, // handle to object
DWORD dwMilliseconds // time-out interval）;
测试文件数据结构如下：
struct ThreadInfo
{
int serial; //线程序号
char entity; //线程类别(判断是读者还是写者线程)
double delay; //线程延迟时间
double persist; //线程读写操作时间
};
void RP_ReaderThread(void *p) // 读者优先情况下的读者线程信息
void RP_WriterThread(void *p) //读者优先情况下的写者线程信息
void ReaderPriority(char *file) //读者优先处理函数
void WP_ReaderThread(void *p) //写者优先情况下的读者线程信息
void WP_ReaderThread(void *p) //写者优先情况下的写者线程信息
void WriterPriority(char *file) //写者优先处理函数
int main(int argc,char *argv //主函数,负责调用读者或者写者优先函数
3.2 流程图
否
是
是 否
否
否 是 否
是
是
否
否
是
４．源程序
4.1 .ReaderAndWriter.CPP // 具体的实现
#include "windows.h"
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fstream.h>
#include <io.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#define READER 'R' //读者
#define WRITER 'W' //写者
#define INTE_PER_SEC 1000 //每秒时钟中断的数目
#define MAX_THREAD_NUM 64 //最大线程数
#define MAX_FILE_NUM 32 //最大文件数目数
#define MAX_STR_LEN 32 //字符串的长度
int readcount=0; //读者数目
int writecount=0; //写者数目
CRITICAL_SECTION RP_Write; //临界资源
CRITICAL_SECTION cs_Write;
CRITICAL_SECTION cs_Read;
struct ThreadInfo
{
int serial; //线程序号
char entity; //线程类别(判断是读者还是写者线程)
double delay; //线程延迟时间
double persist; //线程读写操作时间
};
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 读者优先---读者线程
//P:读者线程信息
void RP_ReaderThread(void *p)
{
//互斥变量
HANDLE h_Mutex;
h_Mutex=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex_for_readcount");
DWORD wait_for_mutex; //等待互斥变量所有权
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //读文件持续时间
int m_serial; //线程序号
// 从参数中获得信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay); //延迟等待
printf("Reader thread %d sents the reading require.\n",m_serial);
//等待互斥信号,保证对ReadCount 的访问,修改互斥
wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1);
//读者数目增加
readcount++;
if(readcount==1)
{
//第一个读者,等待资源
EnterCriticalSection(&RP_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex); //释放互斥信号
//读文件
printf("Reader thread %d begins to read file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
//退出线程
printf("Reader thread %d finished reading file.\n",m_serial);
//等待互斥信号,保证对ReadCount的访问,修改互斥
wait_for_mutex=WaitForSingleObject(h_Mutex,-1);
//读者数目减少
readcount--;
if(readcount==0)
{
//如果所有的读者读完,唤醒写者
LeaveCriticalSection(&RP_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex); //释放互斥信号
}
//////////////////////////////////////////////////////////////
//P:写者线程信息
void RP_WriterThread(void *p)
{
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //写文件持续时间
int m_serial; //线程序号
// 从参数中获得信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay);
printf("Write thread %d sents the writing require.\n",m_serial);
//等待资源
EnterCriticalSection(&RP_Write);
//写文件
printf("Writer thread %d begins to write to the file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
//退出线程
printf("Write thread %d finished writing to the file.\n",m_serial);
//释放资源
LeaveCriticalSection(&RP_Write);
}
//////////////////////////////////////////////////////////////
//读者优先处理函数
//file:文件名
void ReaderPriority(char *file)
{
DWORD n_thread=0; //线程数目
DWORD thread_ID; //线程ID
DWORD wait_for_all; //等待所有线程结束
//互斥对象
HANDLE h_Mutex;
h_Mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex_for_readcount");
//线程对象的数组
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM];
ThreadInfo thread_info[MAX_THREAD_NUM];
readcount=0; //初始化readcount
InitializeCriticalSection(&RP_Write); //初始化临界区
ifstream inFile;
inFile.open (file);
printf("Reader Priority:\n\n");
while(inFile)
{
//读入每一个读者,写者的信息
inFile>>thread_info[n_thread].serial;
inFile>>thread_info[n_thread].entity;
inFile>>thread_info[n_thread].delay;
inFile>>thread_info[n_thread++].persist;
inFile.get();
}
for(int i=0;i<(int)(n_thread);i++)
{
if(thread_info[i].entity==READER||thread_info[i].entity =='r')
{
//创建读者进程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_ReaderThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
else
{
//创建写线程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(RP_WriterThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
}
//等待所有的线程结束
wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf("All reader and writer have finished operating.\n");
}
////////////////////////////////////////////////////////
//写者优先---读者线程
//P:读者线程信息
void WP_ReaderThread(void *p)
{
//互斥变量
HANDLE h_Mutex1;
h_Mutex1=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex1");
HANDLE h_Mutex2;
h_Mutex2=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex2");
DWORD wait_for_mutex1; //等待互斥变量所有权
DWORD wait_for_mutex2;
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //读文件持续时间
int m_serial; //线程的序号
//从参数中得到信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay); //延迟等待
printf("Reader thread %d sents the reading require.\n",m_serial);
wait_for_mutex1=WaitForSingleObject(h_Mutex1,-1);
//读者进去临界区
EnterCriticalSection(&cs_Read);
//阻塞互斥对象Mutex2,保证对readCount的访问和修改互斥
wait_for_mutex2=WaitForSingleObject(h_Mutex2,-1);
//修改读者的数目
readcount++;
if(readcount==1)
{
// 如果是第1个读者,等待写者写完
EnterCriticalSection(&cs_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex2);// 释放互斥信号 Mutex2
//让其他读者进去临界区
LeaveCriticalSection(&cs_Read);
ReleaseMutex(h_Mutex1);
//读文件
printf("Reader thread %d begins to read file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
//退出线程
printf("Reader thread %d finished reading file.\n",m_serial);
//阻塞互斥对象Mutex2,保证对readcount的访问,修改互斥
wait_for_mutex2=WaitForSingleObject(h_Mutex2,-1);
readcount--;
if(readcount==0)
{
//最后一个读者,唤醒写者
LeaveCriticalSection(&cs_Write);
}
ReleaseMutex(h_Mutex2); //释放互斥信号
}
///////////////////////////////////////////
//写者优先---写者线程
//P:写者线程信息
void WP_WriterThread(void *p)
{
DWORD wait_for_mutex3; //互斥变量
DWORD m_delay; //延迟时间
DWORD m_persist; //读文件持续时间
int m_serial; //线程序号
HANDLE h_Mutex3;
h_Mutex3=OpenMutex(MUTEX_ALL_ACCESS,FALSE,"mutex3");
//从参数中获得信息
m_serial=((ThreadInfo*)(p))->serial ;
m_delay=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->delay *INTE_PER_SEC);
m_persist=(DWORD)(((ThreadInfo*)(p))->persist *INTE_PER_SEC);
Sleep(m_delay); //延迟等待
printf("Writer thread %d sents the reading require.\n",m_serial);
wait_for_mutex3=WaitForSingleObject(h_Mutex3,-1);
writecount++; //修改写者数目
if(writecount==1)
{
EnterCriticalSection(&cs_Read);
}
ReleaseMutex(h_Mutex3);
EnterCriticalSection(&cs_Write);
printf("Writer thread %d begins to write to the file.\n",m_serial);
Sleep(m_persist);
printf("Writer thread %d finished writing to the file.\n",m_serial);
LeaveCriticalSection(&cs_Write);
wait_for_mutex3=WaitForSingleObject(h_Mutex3,-1);
writecount--;
if(writecount==0)
{
LeaveCriticalSection(&cs_Read);
}
ReleaseMutex(h_Mutex3);
}
/////////////////////////////////////////////
//写者优先处理函数
// file:文件名
void WriterPriority(char * file)
{
DWORD n_thread=0;
DWORD thread_ID;
DWORD wait_for_all;
HANDLE h_Mutex1;
h_Mutex1=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex1");
HANDLE h_Mutex2;
h_Mutex2=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex2");
HANDLE h_Mutex3;
h_Mutex3=CreateMutex(NULL,FALSE,"mutex3");
HANDLE h_Thread[MAX_THREAD_NUM];
ThreadInfo thread_info[MAX_THREAD_NUM];
readcount=0;
writecount=0;
InitializeCriticalSection(&cs_Write);
InitializeCriticalSection(&cs_Read);
ifstream inFile;
inFile.open (file);
printf("Writer priority:\n\n");
while(inFile)
{
inFile>>thread_info[n_thread].serial;
inFile>>thread_info[n_thread].entity;
inFile>>thread_info[n_thread].delay;
inFile>>thread_info[n_thread++].persist;
inFile.get();
}
for(int i=0;i<(int)(n_thread);i++)
{
if(thread_info[i].entity==READER||thread_info[i].entity =='r')
{
//创建读者进程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(WP_ReaderThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
else
{
//创建写线程
h_Thread[i]=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(WP_WriterThread),&thread_info[i],0,&thread_ID);
}
}
//等待所有的线程结束
wait_for_all=WaitForMultipleObjects(n_thread,h_Thread,TRUE,-1);
printf("All reader and writer have finished operating.\n");
}
/////////////////////////////////////////////////////
//主函数
int main(int argc,char *argv[])
{
char ch;
while(true)
{
printf("*************************************\n");
printf(" 1.Reader Priority\n");
printf(" 2.Writer Priority\n");
printf(" 3.Exit to Windows\n");
printf("*************************************\n");
printf("Enter your choice(1,2,3): ");
do{
ch=(char)_getch();
}while(ch!='1'&&ch!='2'&&ch!='3');
system("cls");
if(ch=='3')
return 0;
else if(ch=='1')
ReaderPriority("thread.dat");
else
WriterPriority("thread.dat");
printf("\nPress Any Key to Coutinue:");
_getch();
system("cls");
}
return 0;
}
4.2.thread.dat //辅助的文件，但是必不可以少
1 r 3 5
2 w 4 5
3 r 5 2
4 r 6 5
5 w 5.1 3
５．运行结果与运行情况
对源程序进行编译,链接后,执行程序:
当选择1 Reader Priority 时，程序运行结果如下：
按任意建后会到主界面，然后选择2.Writer Priority 后，程序运行结果如下：
６．调试记录
在编程过程中，没有设置计数器来存储读者数目，结果在程序运行时，产生了读者与读者的互斥。之后通过翻阅资料，了解了需要加入计数器来控制读者与读者之间的同等优先，同时也用于控制写者进程的释放，既当计数器为0的时候，允许写进程访问文件。
在加入计数器后，重新编写程序，就解决了以上问题。当程序通过编译链接之后，运行程序，得到了正确的结果。然后修改文件thread.dat中的参数：
1 R 3 4
2 R 4 3
3 W 4 5
重新对程序进行测试，分别选择读者优先和写者优先，结果正确。
最后修改文件thread.dat中的参数，使用更多的读写请求：
1 W 2 5
2 R 3 4
3 W 5 3
4 R 6 5
5 R 7 4
6 W 9 5
7 R 11 4
8 R 14 5
9 W 17 6
10 R 20 5
运行程序的结果都正确。读者写者问题程序设计成功。
７．自我评析和总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.
操作系统的出现，使用和发展是近四十余年来计算机软件的一个重大进展。操作系统中引入并发程序设计技术后，程序的执行不在是顺序的。一个程序未执行完而另一个程序便已开始执行，程序挖补的顺序特性消失，程序与计算不再一一对应，所以操作系统引进进程概念来描述这种变化。读者与写者问题就是一个经典的并发程序设计问题。
在开始做课程设计时，我首先翻阅了很多关于并发程序的书籍，找到了基本的解决方法，那就是信号量的使用。记录型信号量和PV操作不仅可以解决进程的互斥，而且更是实现进程同步的有力工具。但是发现光有信号量是解决不了读者和写者问题，因为所有读进程不会相互互斥。所以程序对信号量进行了改进。引入了一个计数器，记录读者的数目，控制是否释放写者进程。
做到这些，思路已经基本确定。在变成过程中查阅了许多书籍，也对WINDOWS下的一些API做了些了解。
接近2周的课程设计，让我学到了不少东西，从开始的查阅书籍，确定思路，到最后的编写程序和调试。设计过程中遇到了不少困难，但在同学和老师的帮助下都一一克服了。
总之，每一次课程设计不仅是我们学习的好机会，而且是我们锻炼实际动手能力的平台，虽然有难度的东西总会让人很抵触，比如在课设过程中有很多郁闷的时候，一个小小的错误一不小心就花去了自己一上午的时间，所以在这个过程中能够磨练人的意志与耐心，最后感谢老师的指导与监督，使我在课程设计过程中学到了书本是学不到的知识，同时也对操作系统有了更深刻的认识，为以后的学习打下了坚实的基础。
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